本發明提供聚硅氧烷納米片包覆石墨烯海綿復合材料及其制備方法和應用，將水熱制備3D?GNS作為浸漬預制體，聚硅氧烷作為前驅體溶液，經真空浸漬實現PSO吸附在納米石墨烯片表面；交聯?熱解后獲得SiOC納米層包覆3D?GNS的復合電極材料。本發明提供簡單方法來制備3D?GNS/SiOC復合電極材料，成本低廉、條件易控；可用于制備具有三維連通的石墨烯導電網絡和“三明治”結構(SiOC/GNS/SiOC)的SiOC電極材料；采用三維石墨烯海綿改性在制備其它高性能復合電極材料上具有重大意義；當3D?GNS/SiOC作為鋰電負極材料時，具有較高的容量和倍率性能，滿足當前高能量需求的發展趨勢。

技術領域

本發明涉及石墨烯及無機納米復合材料合成技術領域，更具體地說涉及一種真空浸漬法制備SiOC納米片包覆石墨烯海綿復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨電力系統的發展和電子器件微型化的需要，迫切需要研制出輕質、高效的儲能設備，鋰離子電池正以其放電壓高、比能量高、比功率大、放電平穩和使用壽命長等優點，廣泛應用于便攜電子設備，如電動汽車、植入式醫療設備等領域。目前，商業化鋰電池常用的負極材料是石墨材料，但其理論容量僅為372mAh/g，且石墨片層在充放電過程中易破壞和脫落，降低了電池的循環穩定性。為此，找到一種新型的高性能的鋰電池負極材料，以滿足日益發展得高效儲能要求，正引起眾多科研工作者的關注。

SiOC陶瓷是聚硅氧烷經過低溫交聯和高溫熱解，獲得的非晶網絡結構的陶瓷材料，具有優良的力學、電化學特性。一般來說SiOC陶瓷由Si-O-C骨架、無定型的自由碳和一些納米孔組成，這些組分均可以作為儲鋰活性位點。為此，當SiOC陶瓷作為鋰電池負極材料時，其可逆容量高達1350mAh/g，接近石墨的4倍。此外，SiOC本身的無序網絡結構避免了充放電過程中其結構的破壞，提高了電池的循環穩定性。但是，SiOC固有的低的導電性和離子擴散速率限制了其倍率性能的提高，而且當SiOC顆粒尺寸較大時，同時會降低SiOC活性位點的利用率，直接導致SiOC電極的可逆容量和倍率性能的全面降低。

目前，復合/摻雜石墨烯(GNS)或者碳納米管等導電材料是解決該問題的主要措施之一。但是由于石墨烯和碳納米管的納米效應明顯，片與片之間存在極強的化學作用力，極易團聚，導致其與硅氧碳復合過程中很難獲得混合均勻的連續的導電網絡，限制了SiOC復合電極材料的導電性和離子擴散速率的提高，很難獲得高倍率和高容量的鋰電池負極材料。三維石墨烯氣凝膠(3D-GNS)作為連通的導電網絡可以解決這一問題，目前已經應用于金屬氧化物復合電極材料的導電網絡，成功獲得了高倍率和高容量的鋰電池負極材料。例如，Sun等(Sun H.,et al.Science,2017,356(6338):599.)采用兩步法制備了3D-GNS/Nb₂O₅復合電極材料，獲得了極高的倍率性能，在10℃下仍依然有超過60％的容量保持率，但是其可逆容量依然較低。

發明內容

本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種真空浸漬法制備SiOC納米片包覆三維連通的石墨烯海綿復合材料及其制備方法和應用，該方法制備得到的3D-GNS/SiOC復合材料具有連通的三維石墨烯網絡以及包覆在石墨烯納米片表面的納米級別的SiOC層，這一結構的3D-GNS/SiOC復合材料提高了SiOC基電極材料的導電性和離子擴散速率，進而獲得了較高的鋰電性能。

本發明的目的通過下述技術方案予以實現。

聚硅氧烷納米片包覆石墨烯海綿復合材料及其制備方法，按照下述步驟進行：

步驟1，將均質氧化石墨烯水溶液與氨水混合均勻，依次經過水熱和冷凍干燥獲得彈性3D-石墨烯海綿(3D-GNS)，其中，氨水為氣體氨的水溶液，濃度為0.3-5.5mol/L，氧化石墨烯水溶液與氨水的加入量之比(兩者體積比)為(1-12):(0.5-1.2)；